مبدأ وتطبيق العاكس الشمسي

في الوقت الحاضر، يعتمد نظام توليد الطاقة الكهروضوئية في الصين بشكل رئيسي على التيار المستمر، والذي يشحن الطاقة الكهربائية المولدة من البطارية الشمسية، حيث تزود البطارية الحمل بالطاقة مباشرةً. على سبيل المثال، نظام الإضاءة المنزلية بالطاقة الشمسية في شمال غرب الصين ونظام إمداد طاقة محطة الميكروويف البعيدة عن الشبكة، كلاهما يعملان بالتيار المستمر. يتميز هذا النوع من الأنظمة بهيكل بسيط وتكلفة منخفضة. ومع ذلك، نظرًا لاختلاف جهد التيار المستمر للأحمال (مثل 12 فولت، 24 فولت، 48 فولت، إلخ)، يصعب توحيد النظام وتوافقه، وخاصةً في مجال الطاقة المدنية، حيث تُستخدم معظم أحمال التيار المتردد مع التيار المستمر. من الصعب على مصدر الطاقة الكهروضوئية توفير الكهرباء لدخول السوق كسلعة. بالإضافة إلى ذلك، سيصل توليد الطاقة الكهروضوئية في نهاية المطاف إلى التشغيل المتصل بالشبكة، والذي يجب أن يتبنى نموذج سوق ناضج. في المستقبل، ستصبح أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية ذات التيار المتردد هي السائدة في توليد الطاقة الكهروضوئية.
متطلبات نظام توليد الطاقة الكهروضوئية لإمدادات الطاقة العاكسة

يتكون نظام توليد الطاقة الكهروضوئية باستخدام طاقة التيار المتردد من أربعة أجزاء: مصفوفة الخلايا الكهروضوئية، ووحدة التحكم في الشحن والتفريغ، والبطارية، والعاكس (عادةً ما يوفر نظام توليد الطاقة المتصل بالشبكة استهلاك البطارية)، ويُعدّ العاكس المكون الرئيسي. تتطلب أنظمة الطاقة الكهروضوئية متطلبات أعلى للعاكسات.

١. الكفاءة العالية مطلوبة. نظرًا لارتفاع أسعار الخلايا الشمسية حاليًا، ولزيادة استخدامها وتحسين كفاءة النظام، من الضروري تحسين كفاءة العاكس.

٢. يتطلب الأمر موثوقية عالية. حاليًا، تُستخدم أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية بشكل رئيسي في المناطق النائية، والعديد من محطات الطاقة لا تخضع للصيانة الدورية. هذا يتطلب أن يكون لدى العاكس هيكل دائرة مناسب، واختيار دقيق للمكونات، ووظائف حماية متنوعة، مثل حماية توصيلات التيار المستمر الداخلة، وحماية دارة قصر التيار المتردد الخارجة، والحماية من ارتفاع درجة الحرارة، والحماية من الحمل الزائد، وغيرها.

٣. يتطلب جهد دخل التيار المستمر نطاقًا واسعًا من التكيف. بما أن الجهد الطرفي للبطارية يتغير مع الحمل وشدة ضوء الشمس، فرغم أن للبطارية تأثيرًا مهمًا على جهدها، إلا أن جهدها يتقلب مع تغير السعة المتبقية والمقاومة الداخلية. وخاصةً مع تقدم عمر البطارية، يتفاوت جهدها الطرفي بشكل كبير. على سبيل المثال، يمكن أن يتراوح الجهد الطرفي لبطارية ١٢ فولت بين ١٠ و١٦ فولت. هذا يتطلب من العاكس العمل بجهد تيار مستمر أكبر. لضمان التشغيل العادي ضمن نطاق جهد الدخل، وضمان استقرار جهد خرج التيار المتردد.

٤. في أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية متوسطة وكبيرة السعة، يجب أن يكون خرج مصدر طاقة العاكس موجة جيبية ذات تشوه أقل. ويرجع ذلك إلى أنه في هذه الأنظمة، عند استخدام طاقة الموجة المربعة، سيحتوي الخرج على مكونات توافقية أكثر، وستؤدي التوافقيات الأعلى إلى خسائر إضافية. تُزود العديد من أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية بمعدات اتصالات أو أجهزة، مما يتطلب جودة أعلى لشبكة الكهرباء. عند توصيل أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية متوسطة وكبيرة السعة بالشبكة، لتجنب تلوث الطاقة بالشبكة العامة، يُطلب من العاكس أيضًا إخراج تيار موجة جيبية.

يُحوّل العاكس التيار المستمر إلى تيار متردد. إذا كان جهد التيار المستمر منخفضًا، يُعزّز بواسطة محول تيار متردد للحصول على جهد وتردد قياسيين للتيار المتردد. بالنسبة للعاكسات كبيرة السعة، ونظرًا لارتفاع جهد ناقل التيار المستمر، لا يحتاج خرج التيار المتردد عادةً إلى محول لرفع الجهد إلى 220 فولت. في العاكسات متوسطة وصغيرة السعة، يكون جهد التيار المستمر منخفضًا نسبيًا، مثل 12 فولت، أما في العاكسات ذات 24 فولت، فيجب تصميم دائرة تعزيز. تتضمن العاكسات متوسطة وصغيرة السعة عادةً دوائر عاكس دفع وسحب، ودوائر عاكس جسر كامل، ودوائر عاكس تعزيز عالي التردد. تربط دوائر الدفع والسحب قابس المحايد لمحول التعزيز بمصدر الطاقة الموجب، بينما يعمل أنبوبا الطاقة بالتناوب، مما يُنتج طاقة تيار متردد. ولأن ترانزستورات الطاقة متصلة بالأرضية المشتركة، فإن دوائر التشغيل والتحكم بسيطة، ولأن المحول يتمتع بمحاثة تسرب معينة، فإنه يحد من تيار القصر، مما يُحسّن من موثوقية الدائرة. عيبها هو انخفاض معدل استخدام المحول وضعف قدرته على تشغيل الأحمال الحثية.
تتغلب دائرة عاكس الجسر الكامل على عيوب دائرة الدفع والسحب. يضبط ترانزستور الطاقة عرض نبضة الخرج، وتتغير القيمة الفعالة لجهد التيار المتردد الناتج تبعًا لذلك. ولأن الدائرة تحتوي على حلقة حرة الحركة، حتى مع الأحمال الحثية، فلن يتشوه شكل موجة جهد الخرج. عيب هذه الدائرة هو أن ترانزستورات الطاقة للذراعين العلوي والسفلي لا تشترك في التأريض، لذا يجب استخدام دائرة تشغيل مخصصة أو مصدر طاقة معزول. بالإضافة إلى ذلك، لمنع التوصيل المشترك لذراعي الجسر العلوي والسفلي، يجب تصميم دائرة تُفصل ثم تُشغل، أي يجب ضبط وقت التوقف، وهيكل الدائرة أكثر تعقيدًا.

يجب إضافة محول رفع الجهد إلى مخرجات دائرة الدفع والسحب ودائرة الجسر الكامل. ونظرًا لكبر حجم محول رفع الجهد وانخفاض كفاءته وارتفاع سعره، ومع تطور إلكترونيات الطاقة وتكنولوجيا الإلكترونيات الدقيقة، تُستخدم تقنية تحويل رفع الجهد عالي التردد لتحقيق عكس التيار. ويمكنه تحقيق عاكس عالي الكثافة للطاقة. تعتمد دائرة التعزيز الأمامية لدائرة العاكس هذه على هيكل دفع وسحب، ولكن تردد التشغيل أعلى من 20 كيلوهرتز. يعتمد محول التعزيز على مادة قلب مغناطيسية عالية التردد، لذلك فهو صغير الحجم وخفيف الوزن. بعد عكس التيار عالي التردد، يتم تحويله إلى تيار متردد عالي التردد من خلال محول عالي التردد، ثم يتم الحصول على تيار مستمر عالي الجهد (عادةً أعلى من 300 فولت) من خلال دائرة مرشح مقوم عالي التردد، ثم يتم عكسه من خلال دائرة عاكس تردد الطاقة.

بفضل هيكل الدائرة هذا، تتحسن قدرة العاكس بشكل كبير، وينخفض ​​فقدان الطاقة بدون حمل، وتتحسن كفاءته. لكن عيب هذه الدائرة هو تعقيدها وانخفاض موثوقيتها مقارنةً بالدائرتين السابقتين.

دائرة التحكم في دائرة العاكس

جميع الدوائر الرئيسية للمحولات المذكورة أعلاه تحتاج إلى دائرة تحكم. بشكل عام، هناك طريقتان للتحكم: الموجة المربعة، والموجة الموجبة والضعيفة. تتميز دائرة إمداد الطاقة للمحول ذات خرج الموجة المربعة بالبساطة، وانخفاض التكلفة، وانخفاض الكفاءة، وكثرة مكوناتها التوافقية. يُعد خرج الموجة الجيبية اتجاهًا رئيسيًا في تطوير المحولات. مع تطور تكنولوجيا الإلكترونيات الدقيقة، ظهرت أيضًا معالجات دقيقة مزودة بوظائف تعديل عرض النبضة (PWM). لذلك، تطورت تكنولوجيا المحولات ذات خرج الموجة الجيبية.

1. تستخدم محولات الطاقة ذات خرج الموجة المربعة حاليًا في الغالب دوائر متكاملة لتعديل عرض النبضة، مثل SG 3 525 وTL 494 وغيرها. وقد أثبتت التجربة أن استخدام دوائر SG3525 المتكاملة، بالإضافة إلى ترانزستورات التأثير الميداني (FETs) كمكونات تحويل طاقة، يمكن أن يحقق أداءً وسعرًا مرتفعين نسبيًا. ونظرًا لقدرة SG3525 على تشغيل ترانزستورات التأثير الميداني (FETs) مباشرةً، واحتوائها على مصدر مرجعي داخلي ومضخم تشغيلي ووظيفة حماية من انخفاض الجهد، فإن دائرتها الطرفية بسيطة للغاية.

٢. دائرة التحكم المتكاملة في العاكس بإخراج موجة جيبية. يمكن التحكم في دائرة التحكم في العاكس بإخراج موجة جيبية بواسطة معالج دقيق، مثل 80 C 196 MC من إنتاج شركة INTEL وMotorola، وMP 16 وPI C 16 C 73 من إنتاج شركة MI-CRO CHIP، إلخ. تحتوي هذه الحواسيب أحادية الشريحة على مولدات PWM متعددة، ويمكنها ضبط ذراعي الجسر العلوي والعلوي. خلال فترة التوقف، تُستخدم 80 C 196 MC من شركة INTEL لإنشاء دائرة إخراج موجة جيبية، و80 C 196 MC لإكمال توليد إشارة موجة جيبية، ورصد جهد خرج التيار المتردد لتحقيق استقرار الجهد.

اختيار أجهزة الطاقة في الدائرة الرئيسية للعاكس

اختيار مكونات الطاقة الرئيسية لـعاكسمهم جدًا. حاليًا، تشمل مكونات الطاقة الأكثر استخدامًا ترانزستورات دارلينجتون للطاقة (BJT)، وترانزستورات تأثير المجال للقدرة (MOS-F ET)، وترانزستورات البوابة المعزولة (IGB. T) وثايرستور الإيقاف (GTO)، وما إلى ذلك، فإن الأجهزة الأكثر استخدامًا في أنظمة الجهد المنخفض ذات السعة الصغيرة هي MOS FET، لأن MOS FET لديه انخفاض أقل في جهد الحالة قيد التشغيل وأعلى. يُستخدم تردد تبديل IG BT بشكل عام في أنظمة الجهد العالي والسعة الكبيرة. وذلك لأن مقاومة حالة التشغيل لـ MOS FET تزداد مع زيادة الجهد، وIG BT في أنظمة السعة المتوسطة تحتل ميزة أكبر، بينما في أنظمة السعة الكبيرة جدًا (أعلى من 100 كيلو فولت أمبير)، تُستخدم GTO بشكل عام كمكونات طاقة.